Sicherheit als Schlüsselfaktor für den Einsatz von Li-Ionen-Batterien in Automobilen

Die Musik spielt in der Zelle

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Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher bieten aktuell die besten Entwicklungschancen für den Erfolg von Hybrid- und Elektroautos. Die Anforderungen der Automobilbranche an diese Technologie sind hoch und vielfältig. In diesem Beitrag geht es im Wesentlichen um die Themen Kosten, Energie- und Leistungsdichte, Sicherheit und Lebensdauer. Dabei spielt die Zellenchemie eine wichtige Rolle.

Der Autor Dr. Joachim Fetzer ist Geschäftsführer der SB Limotive GmbH, Stuttgart, einem Joint Venture von Bosch und Samsung SDI

Studien belegen, dass der Erfolg der Elektroautos stark vom Preis abhängt. Auch die Reichweite ist ein wichtiges Kriterium. Hier ist die Energiedichte der Batteriezelle mitbestimmender Faktor. SB Limotive hat das Ziel, die Energiedichte um den Faktor zwei zu verbessern und so Reichweiten um die 200 km zu realisieren. Das gelingt vor allem durch Optimierung der Materialien der Zellenchemie. Mit verbesserter Energiedichte können auch Gewicht und Größe der Lithium-Ionen-Batterie reduziert werden. Durch die Weiterentwicklung der Materialien, durch Optimierung der Fertigungsverfahren und nutzen von Skaleneffekten können die Kosten reduziert werden.
Dazu ist eine lange Lebensdauer unabdingbar für den wirtschaftlichen Einsatz im Automobil. Die Batterie soll ein Autoleben lang halten und die verfügbare Batteriekapazität soll nach zehn Jahren noch mindestens 80 % der Ursprungskapazität betragen. Beim Hybridfahrzeugs kommen in dieser Zeit mehr als eine Million Ladezyklen zusammen, da der Hybrid sehr häufig zwischen Entladen und rekuperativem Laden wechselt. Beim Elektroauto zielt SB Limotive auf weit mehr als 2000 Vollladezyklen. Das entspricht bei einer Reichweite von 150 bis 200 km je Batterieladung einer Fahrleistung von rund 300 000 km und einer aktiven Betriebszeit von 8000 h.
Sicherheit als Basiswert
Bei all den unterschiedlichen Anforderungen an die Batterie muss die Sicherheit im Fokus stehen. Es ist wesentliche Grundvoraussetzung, dass die neue Technologie den hohen Ansprüchen in der Automobiltechnik genügt. Deshalb investiert SB Limotive hier besonders hohe Entwicklungskapazitäten. Welche Auswirkungen funktionale Sicherheitsanforderungen auf das Design von Batterie und Zellen sowie für das Batteriemanagementsystem haben und welche prinzipiellen Möglichkeiten zur Erfüllung dieser Anforderungen existieren, sind Thema dieses Beitrags.
Elektro- beziehungsweise Hybridfahrzeuge erfordern eigensichere Batteriesysteme, die mindestens das gleiche Sicherheitsniveau wie heutige Fahrzeuge bieten. Die Sicherheit einer Traktionsbatterie ergibt sich aus mehreren Aspekten, die sich in die Bereiche mechanische, elektrische und chemische Sicherheit einordnen lassen. Anforderungen bezüglich dieser Aspekte werden für Traktionsbatterien teilweise bereits heute durch bestehende automobile Standards und Regelungen, wie die ISO 6469 für Sicherheitsspezifikationen bei elektrischen Straßenfahrzeugen oder die ECE R 100 für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, formuliert. Durch den Einsatz von Li-Ionen-Zellen ergeben sich für den Automobilbereich eine Reihe neuer Anforderungen, insbesondere durch potenzielle chemische Gefährdungen. Durch den Einsatz dieser Technologie im Consumerbereich sind zwar Standards vorhanden, allerdings gelten diese nicht für automobile Anwendungen und sind in weiten Teilen auch nicht dafür geeignet. Dementsprechend gibt es aktuell diverse Standardisierungs- und Regulierungsaktivitäten bei den entsprechenden nationalen und internationalen Organisationen und Behörden. Im Sinne klarer Anforderungen an die Batterieentwicklung ist es wichtig, diese Aktivitäten zu bündeln und auf wenige, international verbindliche und lösungsoffene Regelwerke zu konzentrieren.
Aspekte: mechanisch – elektrisch – chemisch
Zur mechanischen Sicherheit gehören der Schutz vor sich lösenden Teilen und konstruktive Maßnahmen, wie beispielsweise eine ausreichend steife Gehäusestruktur, um im Crashfall eine chemische Gefährdung durch die Batteriezellen zu vermeiden. Im Bereich der elektrischen Sicherheit sind Schutz gegen elektrischen Schlag oder Lichtbogen genauso wichtig wie elektrische Gegenmaßnahmen, beispielsweise die Isolation oder der Einsatz von Sicherungen und Schützen. Das dritte Themenfeld umfasst die Sicherheit vor chemischen Gefährdungen durch Austritt von Elektrolyt oder den Schutz gegen unkontrollierte exotherme Reaktionen. Hier werden auch chemische Maßnahmen für hohe Produktsicherheit, wie die Verwendung von Aktivmaterialen mit hoher Eigensicherheit zur Reduzierung des Gefährdungspotenzials in den Zellen, behandelt. Ein Beispiel ist der Shut-Down-Separator, der den Stromfluss in der Zelle bei unzulässig hohen Temperaturen unterbricht.
Der Einfluss des Batteriemanagementsystems
Neben der mechanischen, elektrischen und chemischen Sicherheit spielt für Traktionsbatterien die funktionale Sicherheit eine zentrale Rolle, da die Batterie in Verbindung mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) ein sogenanntes elektrisches/elektronisches System darstellt, das sicherheitsrelevante Funktionen übernimmt. Im Automobilbereich werden die besonderen Anforderungen für deren Entwicklung durch den branchenspezifischen Standard ISO 26262 formuliert. Zum Erreichen der funktionalen Sicherheit müssen sowohl auf Ebene der Entwicklungsprozesse Maßnahmen zur Fehlervermeidung getroffen werden, als auch technische Sicherheitskonzepte zur Verhinderung von Hardwarefehlern entwickelt, umgesetzt und die Wirksamkeit über entsprechende Analysen nachgewiesen werden.
Beim Batteriesystem steht die Überwachung der Zellen im Mittelpunkt. Strom und Spannung sowie Temperatur und Ladezustand werden über das Batteriemanagementsystem kontinuierlich erfasst und geregelt und so beispielsweise vor zu starker Entladung oder Überhitzung geschützt. Bei Erreichen eines kritischen Zustands unterbindet das BMS typischerweise über Öffnen von Schützen die weitere Entnahme oder Zufuhr von Energie. Ein ausgeklügeltes Thermomanagement sorgt dafür, dass die Batterie stets in einem optimalen Temperaturbereich arbeitet und dadurch eine sichere Funktion unter allen Betriebszuständen gewährleistet. Eine konstante Betriebstemperatur um die 35° bis 40 °C sorgt auch für eine kontinuierliche Leistungsfähigkeit der Batterie. Niedrigere Temperaturen führen zu Leistungseinbußen, höhere Temperaturen zu verkürzter Lebensdauer.
Im Falle einer Fehlfunktion des BMS könnte der Übergang in den sicheren Zustand aber unterbleiben, so dass es zu kritischem Überladen, Wiederladen nach Tiefentladung, Laden mit zu hohen Strömen speziell bei niedrigen Temperaturen oder Betrieb bei zu hoher Temperatur kommen könnte. Deswegen betreibt SB Limotive hohen Aufwand bei der Entwicklung zuverlässiger Sicherheitsfunktionen im BMS. Es übernimmt in Ergänzung zu elektrischen/mechanischen Vorkehrungen zusätzlich auch Maßnahmen zum Schutz vor elektrischen Gefährdungen wie Isolationsüberwachung oder Deckeloffenerkennung.
Bosch; Telefon: 0711 811-6283; E-Mail: udo.ruegheimer@de.bosch.com
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